CC BY
16
УДК 621.6.01
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ И ОБОСНОВАНИЕ
КОНСТРУКТИВНЫХ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ УСТАНОВКИ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ЖИДКИХ КОРМОВЫХ СМЕСЕЙ
МОХНАТКИН В. Г.,
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технологического и энергетического оборудования ФГБОУ ВО Вятская ГСХА, e-mail: rektor@vgsha.info.
СОЛОНЩИКОВ П.Н.,
кандидат технических наук, доцент кафедры технологического и энергетического оборудования ФГБОУ ВО Вятская ГСХА, е-mail: solon-pavel@yandex.ru, тел: 89195038762.
Реферат. Разработка и внедрение высокотехнологичных установок для смешивания, расширение их сферы применения, увеличение надежности их функционирования, понижение энергоемкости и получение качественных продуктов является одной из главных и первоочередных задач в механизации животноводства и для индустрии в целом. Обзор конструкций установок для приготовления и подачи жидких кормовых смесей, созданных на базе лопастных насосов, и совмещении в них нескольких устройств является весьма актуальной задачей. В статье представлена конструкция установки для приготовления жидких кормовых смесей для молодняка. Теоретически определена блок-схема функционирования установки и определена её энергетическая эффективность. При построении блок-схемы функционирования учитывались факторы которые непосредственно действуют на установку, а также определены критерии ее эффективности, в виде выходных параметров, которые необходимо либо увеличивать или уменьшать, при этом изменяя входящие параметры. Энергетическая эффективность оценена коэффициентом полезного действия, который характеризует эффективность разработки установки такого типа, в которой могут быть несколько устройств.
Ключевые слова: установка, рабочее колесо, насос, дозатор, смеситель, параметры, коэффициент полезного действия, подача, напор, потребляемая мощность, полезная мощность, эффективность.
THEORETICAL DEFINITION AND RATIONALE FOR DESIGN AND ENERGY INSTALLATION OPTIONS FOR PREPARING A LIQUID FEED MIXTURE
MOKHNATKIN V.G.,
doctor of technical sciences, professor, head of department of technological and energy equipment FGBOU IN Vyatka State Agricultural Academy, e-mail: rektor@vgsha.info.
SOLONSCHIKOV P.N.,
Ph.D., assistant professor of technological and energy equipment FGBOU IN Vyatka State Agricultural Academy, e-mail: solon-pavel@yandex.ru.
Essay. Development and introduction of high-tech systems for the mixing, expanding their scope of application, increasing the reliability of their operation, reducing energy consumption and produce quality products is one of the main priorities and the mechanization of livestock and for the industry as a whole. Review designs installations for the preparation and delivery of liquid feed mixes created on the base of the vane pumps, and combining them in multiple devices is a very urgent task. The paper presents the design of the installation for the preparation of liquid mixtures for young kormovyh. Theoretically determined block diagram of the functioning of the installation and picked energy efficiency. In the construction of the block diagram of functioning into account factors that directly act on the installation, as well as the criteria of effectiveness, in the form of output parameters to be either increased or decreased, thus changing the input parameters. Energy efficiency evaluated an efficiency that characterizes the efficiency of the development apparatus of the kind in which there may be several devices.
Keywords: installation, the impeller, the pump dispenser, mixer parameters, efficiency, flow, pressure, power consumption, net power, efficiency.
Введение. В рамках государственной программы развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013-2020 годы предусмотрены основные направления развития животноводства в нашей стране. Мероприятия по развитию молочного скотоводства
направлены на повышение производства продукции и инвестиционной привлекательности молочного скотоводства. Таким образом, увеличение поголовья сельскохозяйственных животных и повышение их продуктивности невозможно без организации полноценного сбалансированного кормления.
1 - загрузочная камера; 2 - рабочая камера; 3 - питающий патрубок; 4 - основной диск с лопатками; 5 - окна;
6 - неподвижные лопатки; 7 - втулка
Рисунок 1 - Установка для приготовления смесей
Наиболее важным фактором при кормлении является качественное приготовление заменителя цельного молока (ЗЦМ). Поэтому решающая роль в технологии производства того или иного конечного продукта или сырья для последующей переработки принадлежит средствам механизации и автоматизации.
Установки для приготовления и подачи жидких кормов, выпускаемые в нашей стране, давно не модернизировались, а новых разработок весьма недостаточно. Зарубежная техника, как следствие, требует больших капиталовложений [1. - С. 2].
Материал и методика исследования. Теоретические исследования проводились на основе методов теории технологического потока пищевых производств, базирующейся на положениях системного анализа и синтеза.
Установка состоит из рабочей камеры 2 (рисунок 1), соединенной с загрузочной камерой 1, внутри которой расположено рабочее колесо [2. - С. 1].
Рабочее колесо выполнено как комбинация открытого колеса на периферии и закрытого колеса в центре, снизу ограниченного основным 4, а сверху покрывным диском 5. Покрывной диск 5 соединен с расположенной по центру втулкой 7, имеющей спиральную навивку. В покрывающем диске и втулке выполнены окна 5, расположенные так, что между каждыми двумя лопатками рабочего колеса последовательно чередуются окна во втулке и покрывающем диске. А неподвижные лопатки 6 интенсифицируют процесс смешивания.
Установка предназначается для работы в составе поточных технологических линий, или как самостоятельная машина (в совокупности с резервуаром), работающая по циклическому процессу.
Результаты исследования. Для наглядности ее можно представить как динамическую систему, работающую при изменяющихся внешних условиях.
В блок-схеме функционирования установки (рисунок 2) входящими факторами приняты переменные: подача
основной среды (фазы) ¥(), подача порошкообразных (сыпучих) компонентов ¥() и физико-механические свойства обеих сред W1 ¡2(t), являющиеся неуправляемыми факторами и контролирующиеся при проведении опытов.
Рисунок 2 - Блок схема функционирования установки для приготовления жидких кормовых смесей (УПЖКС)
Управляемыми факторами при проведении опытов будут конструктивные K(t) и настроечные параметры R(t).
Выходными переменными приняты параметры, являющиеся эксплуатационными показателями работы установки: подача Q(t), напор H(t), потребляемая мощность N(t), коэффициент полезного действия n(t), устойчивость смеси T(t), показатель полноты растворения nnP(t) и степень однородности &(t). Выходные параметры можно объединить в виде двух переменных (обозначений): Q-H(t) - напорно-энергетическая характеристика и P(t) - качество смеси.
ВП - всасывающий патрубок РК - рабочее колесо; НП - напорный патрубок; ПУ - питающее устройство
Рисунок 3 - Блок-схема функционирования установки для приготовления жидких кормовых смесей при внесении компонентов в потоке
Первый режим работы (рисунок 3) - это функционирование установки с внесением порошкообразных компонентов в потоке. В ёмкость П1 жидкость поступает в количестве Опф со свойству среды W1(t), а из емкости П2 (загрузочная камера) порошкообразный компонент подается в количестве Опф с начальными физико-механическими свойствами (плотность, крупность, слёживаемость и т.д.) W2(t) [6. - С. 314, 7. - С. 82].
При раздельной загрузке компонентов q1(t) и q2(t), они встречаются в рабочем колесе, у которого входными и управляемыми параметрами будут его конструкция Кф и режим работы (настройка) Я(0. Взаимодействие компонентов на рабочем колесе с неподвижными лопатками приводит к получению смеси q1,2(t), выходящей из напорного патрубка в емкость П3, где при необходимости происходит доведение смеси до заданного качества Рф.
Поэтому во время работы соотношение компонентов должно быть в виде зависимости, которая будет определяться качеством готовой смеси Рф:
P(t) = f
)
q2(t)
= const
порционно. Таким образом, здесь четко выдерживается соотношение компонентов сухого и жидкого компонентов согласно требованиям на приготовление.
Установка работает по замкнутому циклу, то есть полученная смесь q1,2'(t) от напорного патрубка поступает в емкость П1.
В данной схеме соблюдение заданного соотношения компонентов П1 и П2 не является важным условием требуемого качества смеси Рф, для этого необходимо обеспечить соотношения компонентов:
ед
= const
о2(0 ,
Качество смеси будет определятся из условия:
(
P(t) = f
G,(t) G2(t)
Л
V 2
= const
(2)
(3)
. (1) Так как данная схема предназначена для работы в непрерывном режиме, то можно сделать вывод о том, что компоненты в загрузочную камеру должны подаваться равномерно, соответственно, необходимо использование дозатора, обеспечивающего непрерывную дозированную подачу порошкообразных компонентов в загрузочную камеру.
Второй режим (рисунок 4) - это функционирование устройства с внесением порошкообразных компонентов
На основании проведенного анализа работы и конструкций существующих смесительных и нагнетательных устройств нами на базе лопастного насоса предложена схема рабочего смесителя для приготовления жидких кормовых смесей [3. - С. 133; 7. - С. 83, 8. - С. 80] (рисунок 5).
На покрывающем диске выполнены окна 1 (рисунок 5), расположенные по отношению к лопастям в шахматном порядке. Жидкость поступает в центр рабочего колеса и далее в межлопастные каналы, сыпучий или порошкообразный материал попадает через окна 1 в другую часть межлопастных каналов.
Рисунок 4 - Блок-схема функционирования установки для приготовления жидких кормовых смесей при внесении компонентов в ёмкость
- жидкость;
■ - сыпучий или порошкообразный компонент
Рисунок 5 - Схема рабочего колеса установки для приготовления смесей
Из предварительного анализа, видно, что при раз- устройств, а именно насос, дозатор и смеситель. Таким работке такого смесителя имеет место наличие трех образом, образованную динамическую систему необхо-
димо оценить коэффициентом полезного действия (КПД). В нашем случае устройство можно рассматривать, как совокупность трех устройств (рисунок 6).
I смеситель
(4)
где цнасжа - коэффициент полезного действия насоса, %;
Цдозатор - коэффициент полезного действия дозатора, %;
Целитель - коэффициент полезного действия смесителя, %.
_ Каеое _ б " Н " Рж ' 8
N..
N..
(5)
N"
где наеоеа - полезная мощность насоса, кВт; Q - подача, м3/с; Н - напор, м;
рж - плотность жидкости, кг/м3; ^насоса - потребляемая мощность насоса, кВт;
N
Пдо
дозатор ^^ * § ' ^м
N
N
дозатор дозатор (6)
где имат - скорость истечения порошкообразного материала, м/с;
т - масса материала, кг;
N
дозатора
- потребляемая мощность дозатором, кВт;
N
дозатора
- полезная мощность дозатора, кВт.
N1
смеситель
е ■ «3 ■d5-Рж
смеситель
смеситель
N N
смеситель см
где ЫСм - рабочая мощность смесителя, кВт;
N1
смеситель
Рисунок 6 - Составные части смесителя для приготовления кормовых смесей
Как насос устройство перемещает жидкость и смесь, при этом дозировано подает в рабочую камеру порошкообразный материал, где происходит смешивание жидкости и порошкообразного материала.
Значит, коэффициент полезного действия устройства можно рассмотреть как произведение КПД трех устройств в виде:
ПУПЖКС = п насос П дозатор
- полезная мощность смесителя, кВт; с=Еи - модифицированный коэффициент Эйлера; п - частота вращения, с-1; ё - диаметр мешалки (рабочего колеса), м; ^ - суммарный поправочный коэффициент, учитывающий конструктивные особенности данной лопастной мешалки по сравнению с базовой: ее длину, высоту, количество лопастей и неподвижных лопаток, ширину рабочего колеса.
С гидравлической точки зрения рабочие органы каждого из выше перечисленных устройств, входящих в установку представляют собой вращающиеся круговые решетки плохо обтекаемых профилей, в которых анализ характера течения может быть основан на совместном рассмотрении переносного и относительного движений [8. - С. 82; 9. - С. 3].
Энергетическая целесообразность объединения таких устройств в одной установке будет в том случае, если потребляемая мощность, при равных прочих условиях, будет меньше мощности, потребляемой технологической линией, состоящей из отдельных компонентов:
+ N
N < N + N
1 у УПЖКС — насос ^ 1 у -
смеситель
(8)
Выделим из общей мощности (УПЖКС) её составляющие части с учетом коэффициента полезного действия его нагнетательной функции
N
упжкс
N п
1у упжкс . (9)
Лупжкс
Аналогично представим мощность, потребляемую отдельными последовательно работающими нагнетателем и преобразователем,
^насос + ^дозатор + ^смеситель
N1
N
дозатор
N1
смеситель
_ (10)
^насос Удозатор ^смеситель
Подставив полученные выражения (9) и (10) в исходную формулу (8) и решая полученное неравенство относительно цУПЖКС, после преобразований получим выражение, определяющее энергетическую целесообразность объединения в одном устройстве функции нагнетания и преобразования, сложим правую часть, учитывая допущение (1), получим:
ЦуПЖКС насоса + - + ^-
-
смеситель .
N Щттт N
УПЖПС < тоа + "^дозЕт + _£_ _
Цупжкс У насоса У дозатора Усмесителя ЦуПЖКС
преобразуем полученное выражение
лупжкс — лупжкс
Nп 1 ' 1/
Nп + Nn + N
насоса дозатора
(11)
смеситель
Анализ уравнения (8) показывает, что экономия энергии при заданном цУПЖКС будет выше, чем больше
П
—
отличаются полезные мощности отдельных устройств от мощности установки для приготовления жидких кормовых смесей.
Выводы. Теоретически определены схемы функ-
ционирования установки для приготовления жидких кормовых смесей, а также оценена энергетическая эффективность ее разработки и совмещение в ней нескольких устройств.
Список использованных источников
1. Солонщиков П.Н. Совершенствование конструкции и оптимизация параметров установки для приготовления жидких кормовых смесей на базе лопастного насоса: дисс. ... канд. техн. наук. - Киров, 2013. - 217 с.
2. Патент на полезную модель 104022 РФ, МПК A23C11/00, A01J11/16. Устройство для приготовления смесей / В.Г. Мохнаткин, В.Н. Шулятьев, А.С. Филинков и др. - № 2010152132/10; Заявлено 20.12.2010 // Бюл. 2011. -№13 - 2 с.
3. Мохнаткин В.Г., Филинков А.С., Солонщиков П.Н. Исследование движения частицы в рабочем колесе установки для приготовления жидких кормовых смесей // Вестник НГИЭИ: Серия технические науки. - Выпуск 2 (33).
- Княгинино НГИЭИ: 2014. - С. 132-140.
4. Анализ движения материала в рабочем колесе устройства для приготовления смесей / В.Г. Мохнаткин, А.С. Филинков, А.В. Алёшкин, П.Н. Солонщиков // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей внутреннего сгорания. Материалы VI Международной научно - практической конференции «Наука - Технология - Ресурсосбережение»: Сборник научных трудов. - Киров: Вятская ГСХА, 2013. - Вып. 11. - С.233 - 237.
5. Солонщиков П.Н. Исследование устройства для приготовления смесей // Вестник Саратовского госагроуни-верситета им. Н.И. Вавилова. - 2013. - № 9. - С. 50-53.
6. Солонщиков П.Н. Разработка конструкции смесителя для приготовления жидких кормовых смесей // Основные направления развития техники и технологии в АПК: материалы и доклады VII Всероссийской научно-практической конференции. - Княгинино: НГИЭУ, 2016. - С 313-315
7. Солонщиков П.Н. Анализ функционирования конструкции смесителя для приготовления кормовых смесей Вестник НГИЭИ. Технические науки. Выпуск № 2 (57). - Княгинино: НГИЭИ, 2016. - С. 81-88.
8. Мохнаткин В.Г., Филинков А.С., Солонщиков П.Н. Теоретическое определение гидравлических характеристик лопастного колеса установки для приготовления жидких кормовых смесей // Вестник НГИЭИ. Серия технические науки. - Выпуск 6 (37). - Княгинино: НГИЭИ, 2014. - С. 79-88.
9. Шулятьев В.Н. Повышение эффективности функционирования нагнетателей - преобразователей технологических линий и технических средств в молочном скотоводстве: автореф. дис... докт. техн. наук: 05.20.01.
- Киров, 2004. - 36 с.
List of sources used
1. Solonschikov P.N. Improving the design and optimization of the set parameters for the preparation of liquid feed mixes on the basis of a vane pump. dis ... cand. tehn. Sciences. - Kirov, 2013. - 217 p.
2. A utility model patent of the Russian Federation 104022, IPC A23C11 / 00, A01J11 / 16. The device for compounding / V.G. Mokhnatkin, V.N. Shulyatev, A.S. Filinkov etc. - №2010152132 / 10; Stated 20.12.2010 // Bul. 2011. - №13 - 2.
3. Mokhnatkin V.G., Filinkov A.S., Solonschikov P.N. Research chastitsy movement in the impeller installation for the preparation of liquid feed mixtures // Herald NGIEI: Seriya engineering science. - Issue 2 (33). - Knyaginino NGIEI: 2014
- Р. 132-140.
4. The analysis of movement of the material in the working wheel device for compounding / V.G. Mokhnatkin, A.S. Filinkov, A.V. Aleshkin, P.N. Solonschikov // Improvement of operational indicators of internal combustion engines. Proceedings of the VI International scientific - practical conference "Science - Technology - Resource": Collection of scientific papers. - Kirov. Vyatka State Agricultural Academy, 2013. - Vol. 11. - S.233 - 237.
5. Solonschikov P.N. Research unit for preparing mixtures // Bulletin of Saratov State Agricultural University them N.I. Vavilov. - 2013. - № 9. - S. 50-53.
6. Solonschikov P.N. Development of the construction of the mixer for the preparation of liquid feed mixtures // The main directions of engineering and technology in the agro-industrial complex: materials and reports of VII All-Russian scientific-practical conference. - Knyaginino: NGIEU, 2016. - Р. 313-315.
7. Solonschikov P.N. Analysis of the functioning of the mixer design for preparation of feed mixtures Herald NGIEI. Technical science. Issue number 2 (57). - Knyaginino: NGIEI, 2016. - P. 81-88.
8. Mokhnatkin V.G, Filinkov A.S., Solonschikov P.N. The theoretical definition of the hydraulic characteristics of the impeller units for the preparation of liquid feed mixtures // Herald NGIEI. A series of technical science. - Issue 6 (37). -Knyaginino: NGIEI, 2014. - S. 79 -88.
9. Shulyatev V.N. Improving the efficiency of functioning nagnetateley - converters of production lines and equipment in dairy cattle breeding. Cand. dis ... doctor. tehn. Sciences. - Kirov, 2004. - 36 p.
